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[专家学者] 复旦大学化学系分析化学张凡

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发表于 2018-3-25 13:07:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
张凡,分析化学,教授,博士生导师
电子邮箱:zhang_fan@fudan.edu.cn
办公地点:复旦大学江湾校区先进材料楼631房间
电话:51630322
传真:51630322
课题组主页:http://nanobiolab.fudan.edu.cn/
研究兴趣
主要研究领域包括生物纳米技术及生物分析, 如早期癌症诊断与治疗,药物储存与释放,体内与体外生物成像等。研究方向:
l 1.近红外荧光探针设计、制备及生物官能化修饰
l 2.体外荧光成像分析及生物传感
l 3.活体光学成像分析
l 4.体外/活体荧光时间分辨成像分析
l 5. 光学成像分析设备设计与搭建
l 6.介孔多功能纳米材料用于药物释放及疾病治疗
l 6.纳米探针荧光共振能量转移及生物传感器的应用
l 7.金属纳米粒子表面等离子共振效应增强荧光材料发光效率
学术任职

Frontiers in Chemistry (Nanoscience Section) 执行主编(影响因子:3.994),

Current Nanoscience副主编

《中国科学-化学》编委

Nano Biomedicine and Engineering编委

第七届世界生物医学大会 国际学术委员会成员(2015)

中国科协第333期青年科学家论坛 大会执行主席(2016年)

获奖情况

国家杰出青年基金获得者

教育部青年长江学者

国家优秀青年基金获得者

中组部青年拔尖人才(万人计划)

教育部新世纪优秀人才

侯德榜化工科技奖

上海市青年英才科技奖

上海市曙光学者

上海市科技启明星

上海市科技进步三等奖

上海市明治生命科学奖

上海市优秀博士论文奖

复旦大学优秀博士论文奖

学习工作经历


  • 2005年9月至2008年7月复旦大学化学系获得博士学位
  • 2008年9月至2010年8月美国加州大学圣芭芭拉分校化学与生物化学系,博士后
  • 2010年8月至2013年12月复旦大学化学系,副研究员
  • 2013年12月至今复旦大学化学系,教授
授课情况

功能材料研讨型课程

功能分子材料与生物材料

先进化学材料改变生活

代表性论文或专著


  • Wang, R.; Zhou, L.; Wang, W. X.; Li, X. M.; Zhang, F.*, “In vivo gastrointestinal drug-release monitoring through second near-infrared window fluorescent bioimaging with orally delivered microcarriers.” Nat. Comm. 2017. 8, 14702.



  • Li, X. M.; Guo, Z. Z.; Zhao, T. C.; Lu, Y.; Zhou, L.; Zhao, D. Y.; Zhang, F.*, “Epitaxial Seeded Growth of Rare-Earth Nanocrystals with Efficient 800 nm Near-Infrared to 1525 nm Short-Wavelength Infrared Downconversion Photoluminescence for In Vivo Bioimaging” Angew. Chem. Int. Ed. 2016. 55, 2464.
  • Yao, C.; Wang, P. Y.; Li, X. M.; Hu, X. Y.; Hou, J. L.; Wan, L. Y.; Zhang,.*, Near-Infrared-Triggered Azobenzene-Liposome/Upconversion Nanoparticle Hybrid Vesicles for Remotely Controlled Drug Delivery to Overcome Cancer Multidrug Resistance. Adv. Mater. 2016. 28, 9341.
  • Zhou, L.; Wang, R.; Li, X. M.; Yao, C.; Wang, C. L.; Zhang, X. Y.; Xu, C. J.; Zeng, A. J.; Zhao, D. Y.; Zhang, F.*, Single-band upconversion nanoprobes for multiplexed simultaneous in situ molecular mapping of cancer biomarkers” Nat. Commun. 2015. 6, 6938.
  • Li, X. M.; Zhang, F.*, “Lab on upconversion nanoparticles: optical properties and applications engineering via designed nanostructure” Chem. Soc. Rev. 2015. 44, 1346.
  • Wang, R.; Li, X. M.; Zhou, L.; Zhang, F.*, “Epitaxial Seeded Growth of Rare-Earth Nanocrystals with Efficient 800 nm Near-Infrared to 1525 nm Short-Wavelength Infrared Downconversion Photoluminescence for In Vivo Bioimaging” Angew. Chem. Int. Ed. 2014. 53, 12086



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发表于 2018-8-15 18:57:52 | 显示全部楼层
复旦化学系张凡团队
在近红外荧光寿命活体成像领域取得重要进展
实现无创活体多重成像 有望为肿瘤精准诊断提供全新方法


目前,对组织进行切片仍为临床医学中诊断肿瘤的主要方法。然而在这一诊断方法的背后,却隐藏着诸多风险与隐患。切片诊断技术不得不依赖于肉眼对肿瘤的性质、大小与阶段作出判断,诊断结果的精确度仍不能完全保证。同时,传统的切片活检过程也难以避免肿瘤细胞转移的风险。那么,未来是否能开发一种全新的技术,无需通过手术切片操作,就可以无创地实现肿瘤精准诊断?

不同荧光寿命的稀土纳米探针在离心管中的荧光寿命的伪色彩图

不同荧光寿命的稀土纳米探针在离心管中的荧光寿命的伪色彩图

8月6日,《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊在线发表了复旦大学化学系教授张凡团队的科研成果,为以上难题的攻克提供了全新的思路与可能。这篇以《荧光寿命工程化的近红外第二窗口纳米颗粒解锁活体多重成像》(“Lifetime engineered NIR-II nanoparticles
unlock multiplexed in vivo imaging”)为题的论文,提出将近红外荧光寿命成像技术运用于活体多重检测当中,有望成为一种全新的肿瘤精准诊断方法。这也是复旦大学通过交叉学科研究取得的又一重大成果。于此同时《自然·纳米技术》发表了“views and news”,对该工作进行了专题新闻报道和评述。


复旦大学化学系博士后凡勇为第一作者。相关研究工作得到了复旦大学化学系、聚合物工程国家重点实验室、上海市分子催化和功能材料重点实验室、国家重点研发项目、国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会等机构与项目的鼎力支持。


技术进步:荧光成像逐步应用于活体多重成像研究


荧光是自然界中常见的一种发光现象,可以通过荧光探针介质来对生物体组织进行成像检测。荧光成像不仅具备了实时性和高空间分辨率等特点,同时还能通过多个不同波长的荧光信号,以实现多个待测物的同时多通道检测。荧光成像所具备的一系列优势,使其在生命科学、药学和医疗诊断等领域都有着非常广泛的应用前景。


在过去的工作中,研究者们主要致力于在可见光区(400 nm-750 nm)和近红外第一窗口(700 nm-900 nm)内进行荧光成像。但由于生物体内不同的组织(如皮肤、脂肪、骨骼等)对激发光和发射光均具有不同的散射和吸收作用,使得在这两个区间内的光学穿透深度和成像分辨率都比较低。这种现象就好比是在夜晚拿着照相机拍照,不仅难以拍清较远的物体,照片成像中的噪点也会格外明晰。


最近,研究者们发现,在近红外第二窗口区(NIR-II,波长1000 nm-1700nm)内,生物组织对激发光和荧光信号的散射和吸收作用极低。光在穿透皮肤、脂肪等生物组织时的“折损率”就极大地下降了。换句话说,相比起可见光区和近红外第一窗口,荧光信号在近红外第二窗口区域内可以更好地实现对生物体的深组织成像。同时,生物组织在近红外第二窗口区域内的自发荧光效应也较低,使生物组织内的待检测荧光信号较少受到来自生物组织本身的自发荧光的干扰。消除了生物组织自身的干扰因素后,成像“照片”中的“噪点”也就得到了显著减少。正是在这两大优势的助力下,近红外第二窗口区域内的荧光成像在生物组织多重检测中有着较好的表现与巨大的发展前景。


然而,这一成像技术在实际的活体多重成像应用中的效果却往往不尽如人意。由于生命活体中各类生物组织在不同的光波段里,具有截然不同的散射和吸收“能力”,所获得的荧光信号会随着不同深度的组织而变化,无法有效地利用多个波长来对活体中不同的分析物进行同时定量检出,无法实现活体中基于多光谱信号的多重检测。


难道就没有别的办法了吗?带着质疑和不断的尝试,张凡团队为这一难题交出了具有突破性的答卷。


研究突破:利用近红外荧光寿命为优化肿瘤诊断提供全新可能


针对以上难题,张凡团队提出了“基于时间维度的多重成像法”,利用在近红外第二窗口区具有荧光发射的稀土纳米探针荧光寿命信号来实现活体多重成像。


当荧光探针被一束近红外激光激发后,该探针吸收能量从基态跃迁至激发态,偏离原有的“运动轨道”,再以辐射跃迁的形式发出荧光并回到基态,回归到原有的“运动轨道”上。当去除激发光后,探针荧光强度降低到激发时荧光最大强度的1/e时所需要的时间即为荧光寿命。团队在实验中发现,荧光寿命的数值具有较好的稳定性,并不会因为生物组织深度的改变而随之改变。


有了荧光寿命这一定量后,张凡团队选择了毒性更低、扛光漂白能力更强的稀土纳米颗粒进行实验。实验之初,纳米颗粒的合成对项目的进展起到了不小阻碍。面对每次都不尽相同的合成结果,团队最终决定放弃已有的数据成果,全部推倒重新来过。在持续了大半年的努力下,团队经过对反应时间、反应温度、实验装置和原料等细节的精密调控,终于克服了纳米颗粒合成的技术问题。


利用能量延迟供给以及对发光离子的浓度进行分别调控的方法,团队实现了在单一波长下对荧光寿命进行三个量级以上的精确调节。最终,成功将这一新型成像技术应用于乳腺癌肿瘤的精准诊断,其对多个肿瘤标志物的定量检测结果与临床医学传统的检测技术获得的结果具有高度一致性。




相较于传统临床诊断技术一次只能对一种肿瘤标志物进行检测的限制,张凡团队提出的时间维度成像方法可以同时定量多个肿瘤标志物,显著提高了检测的效率。同时,时间维度成像法还以“拍照”的形式取代了原本的活检手术,不仅可以直接避免肿瘤细胞转移的风险,同时降低了传统方法在组织切片、处理和评分过程中可能造成的人为误判风险,有望成为一种新型的无创肿瘤诊断方法。


目前,该研究仍停留在实验室阶段,还需进一步向临床试验推进。荧光寿命纳米探针进入人体后在各个脏器中的分布以及代谢程度如何,仍然有待后续研究做出进一步的考察与分析。但是这一科研成果所点亮的诸多可能,都将为分析化学、材料科学、生物光子学、生命科学、生物医学工程和医疗诊断等领域拓宽研究视野与前行的方向。


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发表于 2018-11-10 09:23:06 | 显示全部楼层
复旦大学张凡AM:NIR-II区上转换纳米材料在体内进行组装和分解以改善生物成像
用于生物成像的造影剂往往在病灶处积累较低,而在网状内皮系统(RES)中的摄取较高。通过在体内组装纳米颗粒则可以改善其在肿瘤和炎症区域的富集。然而,由于纳米粒子在RES中被摄取,这种组装也会发生在肝脏和脾脏,这就会导致更高的生物成像背景和更严重的健康危害,进一步阻碍临床应用。Zhao等人提出了一种近红外(NIR)控制的超分子工程策略,实现了镧系上转换纳米粒子与NIR-II区纳米材料在体内的组装和分解,从而实现了对肿瘤的精确生物成像。这一策略也可用于设计其他纳米微尺度造影剂,以提高生物成像信噪比并降低其长期的细胞毒性。

生物成像

生物成像

Zhao M, Li B, et al. Supramolecularly Engineered NIR-II and Upconversion Nanoparticles In Vivo Assembly and Disassembly to Improve Bioimaging[J]. Advanced Materials, 2018.
DOI: 10.1002/adma.201804982
https://doi.org/10.1002/adma.201804982

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层

近年来,荧光成像由于具有快速响应、高灵敏、高时间和空间分辨率以及非侵入性等特点,已经在生命科学和生物医药领域内得到了广泛的研究和应用。相比于可见光区(400 nm- 700 nm)和近红外一区(NIR-I,700 nm-900 nm),近红外二区(NIR-II,1000 nm-1700 nm)成像受到了人们广泛的关注,其主要优势体现在可以显著降低生物组织对光子吸收、散射作用以及生物体的自发荧光强度,大大的增加了光在生物组织内的穿透深度,提高了成像的信噪比和分辨率。在NIR-II区,稀土离子掺杂的纳米颗粒作为进近年来出现的一种新型荧光探针,具有一些显著的优点,比如有较大的斯托克斯位移、生物毒性小、不易被光漂白、发射峰半高宽比较窄等,目前成为生物成像中的研究热点,有着很广泛的应用前景。

近日,复旦大学张凡教授团队在Wiley旗下期刊Advanced Optical Materials发表了题为“A New Generation of NIR-II Probes: Lanthanide-Based Nanocrystals for Bioimaging and Biosensing”的综述文章,第一作者为凡勇博士。该综述总结了目前基于稀土掺杂纳米颗粒在NIR-II区的发射机理和合成方法,以及在生物成像和检测中的应用,并对该新型荧光探针在生物学基础和临床研究提出了新的见解和观点。

荧光成像

荧光成像

首先,作者在文中详细的介绍了稀土掺杂纳米颗粒在NIR-II区的发光机理,并归纳总结了四种常见的发光模式和纳米探针的结构组成,包括单掺杂离子发射(Er3+,Nd3+)、双掺杂离子发射(Yb3+-Ln3+(Ln=Ho,Pr,Tm,Er)和Er3+-Ln3+(Ln=Nd,Ho,Tm))以及三掺杂离子发射(Nd3+-Yb3+-Ln3+(Ln=Ho,Pr,Tm,Er))。针对发光机理,作者随后总结了该新型纳米荧光探针的合成方法,并对其中的一些关键点和挑战(荧光量子产率、激发波长、颗粒大小)做出了分析和研究,为后续该纳米探针的设计与合成提供了指导。最后,作者介绍了该新型纳米荧光探针在NIR-II区的生物多重成像(荧光强度以及荧光寿命)和检测应用中的最新进展,并讨论了其临床研究所面临的挑战及未来的研究方向和机遇。相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801417)上。


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